20世纪70年代末，“旅行者”号对于木星及其卫星的探测虽取得巨大成功，但科学家对木星的许多奇异现象依然困惑不解，如木星的大气运动为何异常剧烈，会在短期内发生巨大变化吗？木星的大红斑为何会以如此快的速度旋转？木星内部流出的能量为什么会大于入射的太阳光？木星怎么会有那么强的磁场？还有木星的4个“伽利略”卫星是木星16个卫星中最大的4颗，也是太阳系中比较大的卫星等，人们极想对它们有更深入的了解。因此，美国决定施放一颗以探测木星及其“伽利略”卫星为主要目的的宇宙探测器，并取名为“伽利略”号。
“伽利略”号探测器总重2550公斤，是一艘核动力宇宙飞船，造价高达15亿美元。它由轨道飞行器及其所携带的木星大气探测器两大部分组成。前者在木星的椭圆轨道上执行探测任务；后者则深入木星大气层深处探测大气层的成分和物理特性。为此，它们分别携带了不同的探测仪器。
“伽利略”号原定于1986年5月采用航天飞机加“半人马座”火箭的发射方式，即航天飞机将探测器投放出机舱后，用“半人马座”大推力液体火箭加速探测器飞往木星，大约在太空飞行两年后即可到达木星。但“挑战者”号航天飞机失事，迫使美国重新审定航天飞机的安全性，决定放弃原定的“半人马座”计划，代之以安全性更好的一种固体燃料火箭，但由于这种火箭的推力比“半人马座”要小得多，这样不得不变更原先直接飞往木星的路线，而采用一种借力式的迂回轨道，即首先向太阳方向飞去，一次飞越金星，两次飞越地球上空，然后借力加速再飞向木星，如此一来，固体火箭推力不足的问题虽得到补偿，但到达木星的时间就要大大延迟了。
1989年10月18日，两度推迟发射的“伽利略”号终于由“亚特兰蒂斯”号航天飞机发射升空。当晚7时13分，“亚特兰蒂斯”号顺利地释放出“伽利略”号飞船及其推进器。至此，“伽利略”号踏上了为时6年、行程约38亿公里的漫长征途。
1990年2月9日，“伽利略”号从金星云层1600公里上空飞过，记录到金星大气中雷的发生。它利用金星重力加速度加速到每小时14290公里，然后沿着一条更大的绕太阳运行的轨道前进，并逐渐向地球靠拢。同年12月8日，借助地球引力，使运行速度提高到每小时127100公里，在此期间，“伽利略”号不但从大西洋955公里的上空飞过，拍摄了大洋洲和南极洲的照片，还成功地绘制出了精确的月球背面地图。
1991年10月29日，“伽利略”号从小行星伽斯帕拉斯上空1600公里附近飞过，成功地拍摄到历史上第一批近距离小行星的照片。1992年12月，“伽利略”号再次与地球相遇，从地球南大西洋上空302公里附近飞过，得到加速后飞行速度达到每小时140300公里。从此，它正式踏上飞往木星的征途。
在飞往木星的途中，“伽利略”号幸运地用偏振光辐射计、CCD摄像机和近红外摄像分光计分别记录了“苏梅克—利维”9号彗星于1994年7月16日撞击木星的世纪天文奇观。
1995年7月13日，“伽利略”号按预定计划施放了木星大气探测器。大气探测器独立飞行8200万公里后，以每小时17万公里的速度冲入木星大气层，在极强烈的狂风、湍流、高温、高压和剧烈摩擦的恶劣环境下，顽强工作了75分钟。与此同时，“伽利略”号继续它驶向木星的长途跋涉，途中克服了种种艰难险阻，终于在1995年12月抵达木星附近。此后的7年多时间里，它绕木星运行34周，与木星主要卫星35次相遇，发回了1.4万张照片。
在完成了人类有史以来最成功的行星探险任务之后，“伽利略”号船龄已高而且燃料也剩不多了！在这种情况下，如果再让“伽利略”号运行下去，那么它的运行轨道会发生变化，很有可能与木星的卫星木卫二相撞。探测结果显示，木卫二的冰冻表面下可能存在着海洋，它也许是太阳系中最有可能存在地球外生命的地方之一。而“伽利略”号上可能有来自地球的微生物。因此，“伽利略”号与木卫二相撞可能会导致来自地球的微生物在木卫二上立足，这种情况将会影响未来在这颗卫星上寻找其本土生命。为了避免此类情况的发生，美国宇航局决定在“伽利略”号燃料未完全用尽、还能控制运行轨道之时，让它葬身于木卫二之外的其他天体上，这个“安葬地”最终定为木星。2003年9月21日下午，“伽利略”号撞向了木星，为它长达14年的太空之旅画上了句号。
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“伽利略”号在太空中共飞越了46亿多公里，比原定计划要长得多。另外，它的终结日期也比预计的晚了6年。作为人类用来监测木星的眼睛和耳朵，“伽利略”号的惊人发现是木星的卫星“欧罗巴”上可能具有类似地球的海洋，这激发了人们对这个星球上存在生命的猜想。
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